橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员首次利用增材制造技术制造粉末冶金热等静压（PM-HIP）所需的罐体，从而省去了长期制约大型关键金属部件生产的焊接、机加工和成型步骤。这一进展为核反应堆、涡轮机和航空航天系统生产致密、近终形部件开辟了一条更快速、更灵活的路径，充分释放了这一行业依赖数十年的工艺的全部潜力。
这一突破是在美国能源部制造示范设施（Manufacturing Demonstration Facility）开发的，得到了核能办公室先进材料与制造技术计划的支持，并解决了自PM-HIP问世以来一直限制其潜力的瓶颈问题。
图片说明： 使用PM-HIP工艺，罐体中填充金属粉末，真空密封，然后经受高温高压，形成致密的金属部件。图片来源：ORNL。
罐体问题与增材制造的解决方案
PM-HIP的工作原理是将金属粉末装入密封容器，真空密封，然后施加极端高温和高压，将材料固结为完全致密、结构完整的部件。其薄弱环节一直是罐体制造。传统方法——成型、机加工、焊接——会引入多个失效点，推高成本，并限制可实现的几何形状。通过直接使用激光和丝材增材方法打印罐体，ORNL团队完全绕过了这些限制。现在，部件可以更接近最终形状进行生产，减少了材料浪费并缩短了交付周期，同时不影响结构完整性。“这项工作为大型部件PM-HIP领域的变革性转变奠定了基础，”ORNL研究员帕万·阿贾拉普（Pavan Ajjarapu）表示。“通过利用增材制造和热等静压的优势，我们正在为水力发电和下一代核反应堆中更大的设计自由度和更广泛的应用铺平道路。”
工程材料，而不仅仅是形状
除了几何形状，该工艺还赋予工程师对材料性能的直接控制。通过控制固结过程中的内部结构，可以定制先进合金的耐腐蚀性、辐射稳定性和高温性能——这是铸造或锻造无法比拟的定制化水平。预测部件在高温高压下的行为历来意味着昂贵试错。ORNL通过计算建模解决了这一问题。“我们进一步通过使用基于力学的计算模型增强了PM-HIP技术的有效性，通过消除试错方法来降低开发成本和交付周期，”杰森·马耶尔（Jason Mayeur）表示。研究员苏布拉托·萨卡尔（Subrato Sarkar）正在开发定制模拟工具，以预测大型近终形部件中的变形，从而消除了规模化应用这一工艺中最后的主要不确定性之一。
国家安全与供应链影响
该方法的影响远远超出了实验室。美国大型金属部件的国内生产长期以来依赖铸造和锻造基础设施，而这些基础设施产能受限且易受干扰。“这种方法提供了铸造和锻造的替代方案，”ORNL的苏米亚·纳格（Soumya Nag）表示。“它还可能通过缓解供应链短缺，帮助加强美国制造业和国家安全。”当前的工作建立在2024年的一次示范基础上，当时ORNL在两天内打印了一个重达2000磅的水力发电叶轮罐体——从初始设计到成品部件——这一里程碑吸引了200名行业利益相关者齐聚制造示范设施，共同规划该技术的下一步发展。最初作为概念验证的成果，如今已成为经过验证、可扩展的能力，可直接应用于能源和国防领域。
图片说明： 橡树岭国家实验室制造示范设施的一个团队使用410NiMo不锈钢合金3D打印了一个重达2000磅的PM-HIP罐体。图片来源：ORNL。
美国铸造与锻造供应链
PM-HIP罐体的开发正值美国工业基础面临显著压力之际。近二十年来，产能和能力方面的挑战严重打击了美国铸造和锻造行业，阻碍了关键军事装备和支持平台所需基本部件的获取，而仅靠联邦投资并未能缩小这一差距。对于核反应堆、涡轮机和航空航天系统中使用的大型、结构复杂的金属部件，美国根本不存在能够大规模、按需生产的国内基础设施。这正是ORNL的突破性进展所要解决的具体问题。
这种紧迫性在大型金属部件最为关键的领域尤为突出。ATI在其新的大型增材制造工厂获得的首份生产合同涉及美国海军核推进计划的精密工程部件，之所以专门建造该工厂，正是因为传统的铸造和锻造已无法满足需求。与此同时，美国陆军唯一在运营的铸造厂——岩岛兵工厂——在过去18个月中，由于国内铸造和锻造产能日益短缺，其工作量翻了两番，这是增材制造被要求缓解的压力点，涉及国防和能源项目。
ORNL的PM-HIP进展直接回应了这两方面的压力。3D打印驱动高压金属固结的罐体，为美国铸造和锻造供应链提供了其目前所缺乏的东西：一条更快速、由国内控制的生产大型致密金属部件的路径。这一差距已被记录多年，而这正是开始填补这一空白的基础设施。
来源：中国3D打印网
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